焊接工艺—不锈钢焊接

1、第十章 不锈钢的焊接 主讲老师：吴新华,本章讲述要点：,慨述 不锈钢的焊接性 不锈钢的焊接工艺 奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺 异种钢焊接,不锈钢焊接接头的宏观照片,YAG-MAG激光电弧复合焊,第一节 不锈钢及耐热钢的分类及特性,一、不锈钢的基本定义,不 锈 钢 的 定义,原义型,习惯型,广义型,仅指在无污染的大气 环境中能够不生锈的钢,指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称,泛指耐蚀钢和耐热钢，统称 为不锈钢Stainless Steels,不 锈 钢,不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。,不锈钢通常含有 Cr（wCr12%） 、Ni、Mn、Mo等元素，,具有良好的耐腐蚀性、 耐热性和较好的力学 性能，,适于制造要求耐腐蚀、 抗氧化、耐高温和超 低温的零部件和设备,二、不锈钢及耐热钢的分类,按主要 化学成分分类,铬锰氮不锈钢,铬镍 不锈钢,铬 不锈钢,指Cr的质量分数介于 12%30%之间的不锈 钢，其基本类型为Cr13型,Cr的质量分数介于12%30%， Ni的质量分数介于6%12%和 含其他少量元素的钢种，基 本类型为Cr18Ni9钢,属于节镍型奥氏体不锈钢，化学 成分

2、中部分镍被锰、氮替代，可 减少镍的含量 如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N,按 用 途 分 类,超低碳Cr-Ni钢(如00Cr25Ni22Mo2、 00Cr22Ni5Mo3N)等,低碳Cr-Ni钢（如0Cr19Ni9、 1Cr18Ni9Ti）,高Cr钢（如1Cr13、2Cr13）,不 锈钢,抗氧化钢,热 强钢,高Cr钢（如1Cr17、1Cr25Si2）,Cr-Ni钢如1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6、 4Cr25Ni20、4Cr25Ni34等,Cr-Ni钢 （如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）,以Cr12为基的多元合金化高Cr钢（如1Cr12MoWV）,包括大气环境下及有浸蚀性化学介质中使用的钢，工作温度一般不超过500，要求耐腐蚀，对强度要求不高。,在高温下具有抗氧化性能的钢，它对高温强度要求不高。工作温度可高达9001100。,在高温下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高温强度，工作温度可高达600800。,按组织 分类,奥氏体钢,铁素体钢,马氏体钢,铁素体奥氏体双相钢,18-8:0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti(18-8Ti) 2

3、5-20:2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni20 25-35:0Cr21Ni32、4Cr25Ni35,沉淀 硬化钢,1Cr17、1Cr25Si2000Cr30Mo2,Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 及1Cr17Ni12 、 1Cr12MoWV,00Cr18Ni5Mo3Si2、 0Cr25Ni5Mo3N、00Cr22Ni5Mo3N,0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH 0Cr17Ni7Al，简称17-7PH,按室温组织分类 GB/T 20878-2007 不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分 1) A型不锈钢：基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织为主，无磁性，主要通过冷加工使其强化（并可能导致一定的磁性）的不锈钢。是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为8%25%）而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。它是应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型。 （固溶态供货），综合性能最好 18-8型：1Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni8 25-20型：2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni20 25-35型：4Cr25Ni35 4Cr25Ni35Nb 2)F型不锈钢：基体以体

4、心立方晶体结构的铁素体组织为主，有磁性，一般不能通过热处理硬化，但冷加工可使其轻微强化的不锈钢。显微组织为铁素体，铬的质量分数在11.5%32.0%范围。主要用作耐热钢（抗氧化钢），也用作耐蚀钢。铁素体钢以退火状态供货。 常为耐蚀钢:1Cr17、1Cr25Si2、000Cr30Mo2,按室温组织分类 3)M型不锈钢：基体为马氏体组织，有磁性，通过热处理可调整其力学性能的不锈钢。这类钢中铬的质量分数为11.5%18.0%。 Cr13系列最为典型 ，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12，常用作不锈钢。热处理对马氏体钢力学性能影响很大，须根据要求规定供货状态，或者是退火态，或者是淬火回火态。 4) A-F（双相）型不锈钢：基体兼有奥氏体和铁素体两相组织（其中较少相的含量一般大于15%），有磁性，可通过冷加工使其强化的不锈钢。钢中铁素体占6040，奥氏体占4060，故常称为双相不锈钢。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性能。 （固溶态供货），腐蚀性能最好18-5型：00Cr18Ni5Mo3Si2；22-5型:00Cr22Ni5Mo3N25-5型：0Cr25Ni5Mo3N

5、； 5)沉淀硬化型不锈钢：基体为奥氏体或马氏体组织，经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，主要用作高强度不锈钢。（时效处理态供货）M，A+M0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)；0Cr17Ni7Al(17-7PH),第二节 不锈钢的特性,1. 不锈钢的物理性能,一般地说，合金元素含量越多，热导率越小，而线膨胀系数和电阻率越大。马氏体钢和铁素体钢的约为低碳钢的1/2，其与低碳钢大体相当。奥氏体钢的约为低碳钢的1/3，其则比低碳钢大50%，并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。由于奥氏体不锈钢这些特殊的物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种金属焊接时，由于这两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差异，会产生很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。非奥氏体钢均显现磁性；奥氏体钢中只有25-20型及16-36型奥氏体钢不呈现磁性；18-8型奥氏体钢在退火状态下虽无磁性，在冷作条件能显示出强磁性。,2. 不锈钢的成分及力学性能,表3-7 常用不锈钢种的化学成分(质量分数，%),一般常用不锈钢种退火后的最低力学性能,3.不锈钢的 耐蚀性能,应力腐蚀（SC

6、C):不锈钢在特定的腐蚀介质和 拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。,晶间腐蚀：在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。,缝隙腐蚀：在电解液中，如在氯离子环境中， 不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时，缝隙中 不锈钢钝化膜吸附Cl而被局部破坏的现象。,点腐蚀（孔蚀或坑蚀）：金属材料表面大部分 不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生的局部腐蚀,均匀腐蚀：接触腐蚀介质的金属 表面全部产生腐蚀的现象,(4) 晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。受这种腐蚀的设备或零件，外观虽呈金属光泽，但因晶粒彼此间已失去联系，敲击时已无金属的声音，钢质变脆。晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬”现象有联系。 18-8奥氏体不锈钢在450850加热（敏化加热）时，由于沿晶界沉淀出铬的碳化物Cr23C6，致使晶界边界层Cr低于12%，形成贫Cr区，在腐蚀介质中即可沿晶粒边界发生所谓晶间腐蚀(Inter-granular corrosion)。现已证明，若钢中含碳量低于其溶解度，C20%即可 产生一般在500900长时加热有利于相的 形成。多分布在晶界，降低韧性。,475脆性：主要出现在Cr15%的铁素体钢

7、 中。430480之间长期加热并缓冷，导致在 常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象 。杂质有促进作用，高纯度可抑制。易产生的 在600-700保温1h空冷可恢复。,热强性：在高温下长时间工作时对断裂的抗力 （持久强度），或在高温下长时间工作时抗 塑性变形的能力（蠕变抗力）。,耐热性能：耐热性能是指高温下，既有抗氧化 或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性，同时又 有足够的强度即热强性。,不锈钢及 耐热钢的 高温性能,第三节 奥氏体不锈钢的焊接性,一、奥氏体不锈钢的类型,类型,18-8型奥 氏体不锈钢,18-12Mo型 奥氏体不锈钢,为克服晶间腐蚀倾开发了1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni11Nb等,主要牌号有1Cr18Ni9 和0Cr18Ni9,25-20型奥 氏体不锈钢,超低碳18-8型不锈钢， 如00Cr19Ni10等,0Cr17Ni12Mo2、 0Cr18Ni12Mo2Ti等,牌号有0Cr25Ni20等,奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%，该类钢是一种十分优良的材料，有极好的抗腐蚀性和生物相容性，因而在化学工业、沿海、食品、生物医学

8、、石油化工等领域中得到广泛应用。 奥氏体不锈钢的类型常用的奥氏体型不锈钢根据其主要合金元素Cr、Ni的含量不同，可分为如下三类： 18-8型奥氏体不锈钢 是应用最广泛的一类奥氏体不锈钢，也是奥氏体型不锈钢的基本钢种，其他奥氏体钢的钢号都是根据不同使用要求而衍生出来的。 (2) 18-12Mo型奥氏体不锈钢 这类钢中钼的质量分数一般为2%4%。由于Mo是缩小奥氏体相区的元素，为了固溶处理后得到单一的奥氏体相，在钢中Ni的质量分数要提高到10%以上 (3) 25-20型奥氏体不锈钢 这类钢铬、镍含量很高，具有很好的耐腐蚀性能和耐热性能。,二、奥氏体 不锈钢 焊接性 分析,奥氏体不锈钢 焊接接头的耐蚀性,热裂纹,析出现象,低温脆化,晶间腐蚀,应力腐 蚀开裂 （SCC）,热影响区敏化区晶间腐蚀,焊缝区晶间腐蚀,点 蚀,刀状腐蚀,腐蚀介质的影响,焊接应力的作用,合金元素的作用,奥氏体钢焊接接头有点蚀 倾向，双相钢有时也会有 点蚀产生。,1奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性,(1) 晶间腐蚀 奥氏体不锈钢焊接接头，在腐蚀介质中工作一段时间可能局部发生沿晶界的腐蚀，一般称此腐蚀为晶间腐蚀。 18-8钢焊接接头有三个部位能出现晶间腐蚀现象，如图4-3所示。它发生的部位是在热循环峰值温度6001000的热影响区，如图3-10a所示；也有的发生在焊缝金属上，如图3-10b所示；另一种晶间腐蚀发生在焊缝的熔合线轮廓外侧很狭窄的范围内，像刃状深入发展，故称之刀状腐蚀，如图3-10c所示，它是晶间腐蚀的一种特殊形式。 在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀的出现，这取决于钢和焊缝的成分。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区的腐蚀主要决定于焊接材料。在正常情况下，现代技术水平可以保证焊缝区不会产生晶间腐蚀。,a)在母材金属上 b)在焊缝上 c)熔合线刀状腐蚀 图3-10 焊接接头的晶间腐蚀,18-8钢焊接接头晶间腐蚀现象,图4-3 18-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位 1HAZ敏化区 2焊缝区 3熔合区,1) 焊缝区晶间腐蚀 根据贫铬理论，为防止焊缝发生晶间腐蚀：一是通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或者含有足够的稳定化元素Nb（因Ti不易过渡到焊缝中而不采用Ti），一般希望wNb8wC或wNb1；二是调整焊缝成分以获得一定数量的铁素体（）相。,

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